（机械电子工程专业论文）结晶器振动远程监测虚拟仪器系统的开发与研究.pdf

武汉科技大学 硕士学位论文第1 页 摘要 随着现代科学技术和工业生产水平的发展，对运行设备在线监测系统的要求越来越 高，监测对象和内容日趋复杂，对监测系统的运行速度和测试精度的要求不断提高。作为 仪器技术和计算机技术相结合的虚拟仪器技术将传统监测系统的性能提升到一个更高的 水平。虚拟仪器技术是计算机硬件资源、测试仪器和用于数据分析、过程通信及图形用户 界面的软件的有效综合。研发人员借助其模块化、开放性、灵活性等特点快速开发出满足 特定性能要求的监测系统，工程技术人员可以简单、快捷的完成数据的分析、处理、保存 和显示。 本论文以结晶器振动伺服油缸为研究对象，利用l a b v w 虚拟仪器开发平台设计了 结晶器振动远程监测系统。主要研究内容有： 1 ) 建立了一种基于以太网的远程监测系统网络结构，在该系统中可以实现对振动油 缸压力、位移等信号的监测，并在线对特定信号进行分析处理； 2 ) 基于c s 模式，运用d a t a s o c k e t ( d s ) 使整个系统具备网络功能。用户可以在任何地 点通过客户端对测试系统进行监控，并能够方便地获得测试结果； 3 ) 采用a c t i v e x 技术，在l a b v i e w 平台下对a c s s 数据库实现访问和控制，使本监测 系统具有数据库管理功能； 4 ) 运用小波分析理论，针对随机噪声，对基于小波变换的两种去噪方法：模极大值去 噪和基于阈值去噪两种方法进行了算法研究，并通过实验和仿真进行分析。结果表明基予f 小波的消噪能够获得满意的效果。 通过实验室实验及现场应用证明，该系统具有较好的可扩展性和稳定性，可推广应用 于工业现场。 关键词：结晶器，远程监测，虚拟仪器，小波分析，消噪 第1 i 页武汉科技大学 硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e ms c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dd e v e l o p m e n to fm o d e m i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n h i g h e rr e q u e s t sa r ep u tf b n v a r dt ot h eo n - l i n em o n i t o r i n gs y s t e mo f r u n n i n ge q u i p m e n t s n em o n i t o r i n gt a s ka n do b j e c tb e c o m e sm o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e d a n d t h er e q u e s t sf o rh i g h e rs p e e da n da c c u r a c y t h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g ya s ap e r f e c t c o m b i n a t i o no ft h ei n s t r u m e n t a lt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g ym a k e saw o n d e r f u l s c h e m ef o rt e s t i n ge n g i n e e r s n l ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yi sc o m b i n e dw i t ht h ec o m p u t e r h a r d w a r er e s o u r c e ，s e n s o re q u i p m e n t sa n ds o f t w a r ew h i c hi su s e df o rd a t aa n a l y s i s i n g ，p r o c e s s c o m m u n i c a t i o n , g r a p h i ci n t e r f a c e ，e n g i n e e r sc a ne a s i l yd e s i g nav is y s t e mw h i c hm e e t ss p e c i a l t e s t i n gr e q u e s t sw i t l lt h ec h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sm o d u l a r i z a t i o n o p e na n da g i l i t y t h ee n g i n e s c a ne a s i l ym a k et h ef u n c t i o no fd a t aa n a l y z i n g ，d a t ap r o c e s s i n ga n dd a t as t o r i n go fc o m p u t e r s c o m et u r e n e a n a l y s i so b j e c ti st h eh y d r a u l i cm o l do s c i l l a t i o ns e r v oc y l i n d e ri nt h i sp a p e r 1 f 1 圮v i r t u a l i n s t r u m e n ts y s t e mo nr e m o t em o n i t o r i n go fh y d r a u l i co s c i l l a t i o ni sd e v e l o p e db yl a b v i e w m p a p e r so b j o c tm a t t e ra sf o l l o w i n g ： ( 1 ) t h ep a p e r sd e v e l o p i n gan e t 、o r ks t r u c t u r ef o rt h ev i r t u a li n s t r u m e n ts y s t e mo nr e m o t e m o n i t o r i n gb a s e do ne t h e r n e t 啊尬s i g n i f i c a n ts i g n a l ss u c ha st h eh y d r a u l i cm o l do s c i l l a t i o n c y l i n d e r sp r e s s u r ea n dd i s p l a c e m e n ta r em o n i t o r e db yt h i sm o n i t o r i n gs y s t e m 1 1 1 es p e c i a l s i g n a li so n - l i n ea n a l y s i sp r o c e s s e da tt h e8 k l n l et i m e ( 2 ) b a s e do nc sm o d e ，u s e r sa r ea b l et oc o n t r o lt h es y s t e ma ta n yp l a c ea n dg e tt h et e s t r e s u l tc o p ye a s i l yw i t i ld a t a s o c k e t ( d s ) t h ea p p l i c a t i o no fd a t a s o c k e tm a k e st h ea u t ot e s t s y s t e mar e a lr e m o t ev i r t u a li n s t r u m e n t ( 3 ) b yu s e dt h ea c t i v e x ，t h ea c c e s sd a t a b a s ei sv i s i t e da n dc o n t r o l l e db yt h el a b v m w p l a t f o r m , a n dm a d et h em o n i t o r i n gs y s t e mh a v i n gt h ed a t a b a s em a n a g e m e n tf u n c t i o n ( 4 ) b a s e do nt h es t u d yo fw a v e l e ta n a l y s i st h e o r y , t h ep a p e rs u g g e s t st w os i g n a ld e - n o i s i n g m e t h o d sa c c o r d i n gt os t o c h a s t i cn o i s e ：m a x i m u md e n o i s i n gm e t h o da n dt h r e s h o l dd e - n o i s i n g m e t h o d t h e nt h ep a p e ra n a l y z e dt h ea l g o r i t h mo f t w om e t h o d sa n da n a l y z e di t ss i m u l i n kr e s u l t e x p e r i m e n ts h o w s t h a td e n o i s i n gb a s e do nw a v e l e tc a ng e ts a t i s f a c t o r yr e s u l t a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n ti nl a b o r a t o r ya n dt h ea p p l i c a t i o ni nl o c a l e ，i tp r o v e dt h a tt h i s s y s t e mh a sg o o di th a sw e l le x p a n d a b i l i t ya n dw e l ls t a b i l i t y t h es y s t e mc a nb ee x t e n dt oa p p l y t ot h ei n d u s t r ys c e n e k e yw o r d s ：c r y s t a l l i z e r , r e m o t em o n i t o r , v i r t u a li n s t r u m e n t ，w a v e l e t ，d e - n o i s i n g 武汉科技大学 硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 本文研究的背景及意义 传统的测试系统或仪器主要是由三个功能块组成，即信号的采集与控制、信号的分析 与处理、结果的表达与输出。由于这些功能块基本上是以硬件或固化的软件形式存在，仪 器只能由生产厂商来定义和制造，因此传统仪器设计复杂、灵活性差，整个测试过程几乎 仅限于简单地模仿人工测试的步骤，在一些较为复杂和测试参数多的场合下，使用起来很 不便。 计算机科学和微电子技术的迅速发展和普及，有力的促进了仪器技术的发展，使电子 测量仪器朝着数字化、模块化、虚拟化方向发展。 数字化( 智能化) ：国际上从上世纪7 0 年代，我国从8 0 年代开始将微处理器应用到 仪器开发设计中，将输入信号进行a d 转换后控制数字信号的传输、存储、运算及显示， 或者将数字信号经d a 转换后再以模拟形式输出，使一些传统仪器实现了数字显示、智能 化控制等功能。经过将测试信号数字化降低了信号传输过程中噪声、干扰、损耗等影响； 经过软件处理可对非线性、温漂等传统仪器很难处理的误差进行修正；通过高分辨率显示 降低了模拟指标中无法克服的人眼的视觉误差；提高了测量精度。同时电子测量仪器数字 化解决了原来传统仪器无法解决的问题。 模块化：肿公司在上世纪7 0 年代初创建了仪器通用接口总线g p i b ，通过g p i b 总线 装有g p m 接口卡的计算机可以和多台装有g p i b 接口的仪器进行连接组成一个测试系统， 系统中每台仪器有单独的地址，由计算机控制操作。系统中的仪器可以增加、减少或更换， 只需对计算机的控制软件作相应改动而不用作另外处理。目前这种概念已经被发展应用于 仪器内部设计。 虚拟化：传统的电子测量仪器只有一个面板，上面布置有各种按键、旋钮、显示单元 等操作组件，使用起来比较繁琐。而虚拟仪器通过计算机软件和硬件的组合，当仪器要实 现不同的功能时可以重新配置仪器并向操作者提供不同的图形界面供操作，采用 l a b v i e w 、v e e 等开发工具在w i n d o w s 操作系统中可编制出图形逼真、界面友好的图 形界面。 目前正在研究的第三代系统中，计算机处于核心地位，计算机软件技术和测试系统紧 密结合组成了一个有机的整体，使仪器结构的概念和设计观点发生了突破性的变化，由此 产生了一种新的仪器概念：虚拟仪器v i ( v i r t u a l1 1 l s t r u m e m ) 。由于虚拟仪器是用软件来集 成仪器所有的采集、控制、数据分析、结果输出和用户界面等功能，使传统仪器的某些硬 件乃至整个仪器都能被计算机软件取代，因此在某种意义上可以说，在虚拟仪器中“软件就 是仪器”【n 。 虚拟仪器是计算机技术在仪器仪表领域的应用所形成的一种新型的、富有生命力的仪 器种类。它通过提供给用户建立自己仪器的可重复使用源代码库以及处理模块间通信、定 时、触发等功能，强调在通用计算机平台上，通过软件和软面板，把传统仪器转变成由用 户定义的、由计算机软件和多种模块组成的专用仪器。因此，虚拟仪器的基本构成包括了 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 计算机及虚拟仪器软件、硬件接口模块。 鉴于虚拟仪器的优越性，因而在监测系统中应得到高度的重视。同时考虑到虚拟仪器 开发时间短，所需成本低，从而可在时| b j 和成本上都得到压缩的特点，决定开发一个功能 针对性强，并且能实现后期开发升级的虚拟仪器。 1 2 虚拟仪器技术现状与发展 虚拟技术、计算机通讯技术与网络技术是信息技术最重要的组成部分，它们被并称为 2 1 世纪科学技术中的三大核心技术。而虚拟仪器技术就是随着上述三大技术和现代测量技 术发展起来的新型高科技，代表着当今仪器技术发展的最新方向。虚拟仪器技术诞生于2 0 世纪9 0 年代初的美国，从诞生之日起，该技术就以其强大的用户自定义功能、开发周期短、 成本低廉以及实用范围广、维护升级方便等众多优点被迅速推广应用到国防军工、科研教 育、航天航空、船舶车辆、能源交通、通讯信息、石油开采、电力工程、医疗与生物工程 等多个领域，成为发达国家研究开发的热点技术之_ _ 3 1 1 4 1 5 l 。 微机化仪器和v x i 仪器是两种典型的虚拟仪器，都是基于计算机进行数字化动静态测 试分析的：用计算机的c r t 模拟各种仪器的控制面板，以多种形式表达输出结果；以计算 机软件实现各种各样的数据分析、处理，完成各种测试。其中几项关键技术如微机的精度、 速度，a d 转换的精度、速度，内存、硬盘的存储量和速度，p c 与a d 的价格问题等都已 解决，再加上各种功能的专用软件迅速发展，从而在国内外掀起了虚拟仪器热【2 】。 据世界仪表与自动化杂志报导，2 1 世纪初，虚拟仪器的生产厂家将超过千家，品 种将达到数千种，市场占有率将占到电测仪器的5 0 。目前，国际上大约有6 0 的仪器仪 表生产厂家( 如美国惠普公司、f l u k e 公司、日本h i o k i 公司、瑞士a b b 公司和l e m 公司 等) 都己采用虚拟仪器技术作为产品开发的重要手段。 1 2 1 虚拟仪器的概念与特点 1 虚拟仪器概念 虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 最先提出的。它可代替传 统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；可集成于自动控制、 工业控制系统之中；可自由构建成专有仪器系统。虚拟仪器是智能仪器之后的新一代测量仪 器。该技术把仪器分为计算机、仪器硬件和应用软件三部分。虚拟仪器以通用计算机和配 备标准数字接口的测量仪器( 包括g p i b ，r s 2 3 2 等传统仪器以及新型的v x i 模块化仪器) 为 基础，将仪器硬件连接到计算机平台上，直接利用计算机丰富的软硬件资源，将计算机硬 件( 处理器、存储器、显示器) 和测量仪器( 频率计、示波器、信号源) 等硬件资源与计算机 软件资源( 包括数据的处理、控制、分析和表达、过程通讯以及图形用户界面) 有机的结合 起来。 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 d a q 卡 信号处理 网络传输 g p i b 程序 数字滤波 硬复制 v 仪器 统计分析 文件f o r s _ 2 3 2 图形用户接口 图1 1 虚拟仪器功能模块显示 2 虚拟仪器的特点与优势 虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机软件构成的电子测试仪器，而软件 是虚拟仪器的核心( 如图1 2 所示) ，其中软件的基础部分是设备驱动软件，而这些标准的仪 器驱动软件使得系统的开发与仪器的硬件变化无关。这是虚拟仪器最大优点之一，有了这 一点，仪器的开发和换代时间将大大缩短。虚拟仪器中应用程序将可选硬件( 如g p i b ，v x i ， r s 2 3 2 ，d a q 板) 和可重复利用库函数等软件结合在一起，实现了仪器模块间的通信、定时 与触发。原码库函数为用户构造自己的虚拟仪器( v d 系统提供了基本的软件模块。由于v i 的模块化、开放性和灵活性，以及软件是关键的特点，当用户的测试要求变化时可以方便 地由用户自己来增减硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求。这样，当 用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的v i 系统而不丢失已有的硬件和 软件资源。 圈1 2 虚拟仪器开发框图 虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构 建，所以应用面极为广泛。虚拟仪器技术十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势， 国外在这方面的技术发展较快，推出了一批卓有成效的实际系统，涉及的应用从大学的教 学实验、仿真系统到工程和科研中的实际测试系统，几乎遍及各个学科领域。由于虚拟仪 器的主体是计算机，因此通过互联网实现虚拟仪器的远程遥测和遥控，进一步扩展了虚拟 仪器的功能。 1 2 2 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势( 如表1 1 所示) 。在高速度、高带宽和专业 测试领域，独立仪器具有无可替代的优势。在中低档测试领域，虚拟仪器可取代一部分独 立仪器的工作，但复杂环境下完成自动化监测是虚拟仪器的强项，是传统的独立仪器难以 第4 页 武汉科技大学硕士学位论文 胜任的。 1 传统仪器的控制面板只有一个，上面布置了种类繁多的显示和操作元件。由此导致 许多识读和操作错误。虚拟仪器与之不同，它可以通过在多个分面板上的操作来实现比较 复杂的功能。这样，在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化和面板布置的简洁化， 从而提高操作的正确性和便捷性。同时，虚拟仪器的面板上的显示元件和操作元件的种类 与形式不受标准元件和加工工艺的限制，由编程来实现，设计者可以根据用户的要求和操 作需要来设计仪器面板。 表1 1 虚拟仪器与传统仪器比较 传统仪器虚拟仪器 仪器厂商定义用户自行定义 硬件是关键 软件是关键 仪器功能规模固定系统功能规模可通过软件修改 基于计算机的开放系统，口r 方便与外 封闭的系统。与其他设备连接受限 设网络及其他设备连网 价格昂贵 价格相对便宜，可重复使用 技术更新慢( 周期5 l o 年) 技术更新快( 周期为1 年左右) 软件结构大大节省开发时间和维护费 开发维护费用高 用 实现远程测量和监控十分有限 i i 邑够很斯的进ij - ：匹样测蘑与监控并 实现数据资源的网络麸享 2 在通用硬件平台确定后，软件取代传统仪器中由硬件完成的仪器功能。一个v i 往往 由多个子v i 组成。这样，在软件组织的树形图结构中，该v i 是根结点，其它v i 是叶( 子) 节 点。一个v i 既可以作为虚拟仪器系统中主控模块，又可以为其它v i 所调用，这由此v i 在整 个系统中的具体功能来决定。 3 仪器的功能是由用户根据需要用软件来定义，不是事先由厂家定义的。 4 舣器性能的改进和功能扩展只需更新相关软件结构或程序代码，不需购买新仪器。 虚拟仪器采用了模块化结构，系统具有良好的开放性和可扩展性。软件的开发是基于模块 化设计思想，并大量运用动态链接库，类库和函数库，代码具有良好的可重复性。 5 虚拟仪器开放、灵活，与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联。 6 由于虚拟仪器以p c 为核心，使 ! 导许多数据处理的过程不必像过去那样由测试仪器本 身来完成，而是在软件的支持下，利用p c 机c p u 、强大的数据处理功能来完成，使得基于 虚拟仪器的测试系统的测试精度、速度大为提高，实现自动化、智能化、多任务测量。 7 可方便地存贮和交换测试数据，测试结果的表达方式更加丰富多样。 8 由于它的核心是软件程序，在一定丌发环境下，用户可以对现有的虚拟仪器程序作 二次丌发，修改，增加原有仪器的功能与丌发l 乜f 仪器斗f l 比，虚拟仪器呵在较高性价比的 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 条件下，降低系统开发和维护费用，缩短技术更新周期。 9 近年来，随着网络技术的发展，己经形成了网络虚拟仪器。这是一种新型的基于w e b 技术的虚拟仪器，使得虚拟仪器测试系统成为i n t 哪e 以n t r a n e t 的一部分，实现现场监控和 管理。在当前流行的c s d 网络模式下，利用嵌入式技术( 包括数据库嵌入和网络模块的嵌 入1 可以充分利用有效资源，提高测试效率。 目前有两种较流行的虚拟仪器开发环境：一是用传统的编程语言开发环境，如h p i t g i 、 l a b w i n d o w s ，c 等，二是用图形编程语言开发环境，如h p v e e 、l a b v i e w 等。本文所设 计的结晶器振动在线监测系统是第二种，即采用【a b v i e w 图形化软件编程平台。 1 3 小波变换技术的起源和发展现状 函数能在由三角函数簇构成的正交基底上展开的事实，直接导致了信号f o u r i e r 分析技 术的产生。信号的f o i l r i e r 变换结果刻画了信号的一个重要特征一信号的频率特性，也称频 谱( s p e c t r u m ) 。建立在f o 嘣e r 变换基础上的频域分析就是通过信号频谱的分析、处理，以达 到把握事物特征、去除噪声、设计满足要求的系统等目标。目前，人们对f o l 】r i e r 变换的本 质、特性已经有了深入的认识，并建立了一套成熟的分析方法。这些方法在理论研究和实 际应用中都发挥了积极的作用，对技术进步和经济发展做出了重大贡献。 f o l 】r i e r 变换的结果反映的是信号的总体频率特征。f o l l r i e r 变换是完全离散的，因此在 时域上没有任何分辨可言，反映不出频谱随时间变化的信息，可以说：f o 嘣e r 变换割断了时 域和频域之间的联系。在现实中，我们有时更关心信号在某一时刻，或某一特定时间范围 的频谱信息，如语音分析、图像边缘检测、图像纹理分析等。在这种场合，传统的f o 嘶e r 变换技术显然难以满足要求嘲。 为了克服f o 面c r 变换的不足，建立时间与频谱的关系，1 9 4 6 年，g a b o 抱0 立了时频相 位空间理论，使用g a u s i o n 函数作为窗口f o i l r i c r 变换的窗口函数【6 胴，以刻画信号的时频局 部特性，这种方法被称为短时f o 嘶盯变换。由于窗函数是固定的，根据测不准原理1 7 j l s j ， 因此短时f o l l r i e r 变换的时间分辨率与频率分辨率都是固定的。虽然也可以用其他不同的窗 函数进行处理，但是g a l l s i o n 窗函数的时间一频率分辨效果最好。而且，g a b o r 变换通过移 动窗口的位置可以获得不同时刻的局部信号的频谱。g a b o r 变换这一开创性的时一频局部 化的本领，逐渐获得人们的重视。 信号的周期和频率成反比。为了准确地描述局部范围的信号的频率特征，高频信号要 求较窄的时间取样窗口和较宽的频域窗口，低频信号则要求较宽的时间取样窗口和较窄的 频域窗口，窗口大小和形状都固定的g a b o r 变换显然不能满足这样的要求；此外，g a b o r 变 换的窗口函数伸缩、平移不能形成可测函数空间的正交基。这些缺陷制约了g a b o r 变换的 应用和发展。 小波变换是f o 嘶e r 杰换和g a b o r 变换的继承和发展。f o 嘶e r 变换的本质是其变换核函数 的平移和伸缩构成空间的正交基，小波变换继承了f o u r i e r 变换的这一核心思想，其变换的 基函数簇也是有一个母小波通过平移和伸缩而生成的；但是，小波变换的基函数具有窗口 函数的性质，同g a b o r 变换一样，小波变换的结果也反映了局部范围内信号的频率特性。 第6 页 武汉科技大学 硕士学位论文 与g a b o r 变换相比，小波变换的时频双分辨的特性更为优越，g a b o r 变换的窗口大小和 形状是固定不变的，而小波变换所提供的时频窗口的面积虽然固定，但其形状会随着窗口 中心频率的变化而自动调整：频率高时，频率窗拉宽，时间窗变窄，时间分辨率提高；频率 低时，频率窗缩短，时间窗自动拉宽，时间分辨率降低。这就是小波变换的“变焦”特性， 也是小波变换优于其他时频分析方法的原因。我们可利用小波变换在不同尺度下观察信号： 大尺度下可观察信号的平稳性，小尺度下可观察信号的奇异性，这样“既看到森林，也看到 树木”，因而小波变换被人们形象地称为“数学显微镜”【7 】【8 1 9 1 。 1 9 8 1 年，法国地质物理学家m o r l e t 首次提出小波分析的概念，当时他用f o u r i e r 变换分 析地震波的局部性的特征时发现f o u r i e r 变换很难达到要求，从而提出小波的概念用于信号 分解。随后c n o s s m a r m 建立了伸缩和平移公式，并从物理上解释了小波概念。1 9 8 5 年，由 m a y e r 、g r o s s m a n n 和d a u b e e h i e s 共同研究，通过构建l 2 ( r ) 上的一个标准正交完备集的方 法选取框架，并证明了一维小波函数的存在性。1 9 8 6 年，法国数学家m a y e r 仓0 造性地构造 了一个具有一定衰减性质的光滑函数，其二进制的伸缩和平移构成了空间r ( r ) 的标准正 交基。m e y e r 从数学上建立了小波分析的基本理论体系，m a l l e t 又提出了多分辨分析和快速 小波算法，d a u b e c h i e s 贝, l j 建立了f i r 共轭滤波器，给出了世界上第一个应用效果最佳的小波 基。以上的五位在小波分析的发展中做出了原创性的贡献，小波分析理论得到了不断的完 善【7 1 【s 1 。 小波变换被公认为是传统的f o u r i e r 变换技术的重大突破，它的出现在科学技术界引起 了轩然大波，被认为是近十年来工具和数学方法上的重大突破。近年来，有关小波变换的 研究已成为国际上极为活跃的领域：美国己将它列为2 0 世纪9 0 年代应用数学的8 个前沿课题 之一，美国国防部的关键技术计划认为小波变换将对未来的国防关键技术中信号处理的研 究产生重大的影响；英国皇家数学会将小波分析列入2 0 世纪9 0 年代重点发展方向之一：法 国、德国等国家也都纷纷投入大量的入力和物力，对这一具有广泛应用价值的重要领域进 行研究：我国的自然科学基金及高技术研究计划也都把有关小波变换的研究作为重大科研 课题予以支持。 小波的发展与应用密不可分。小波的概念来自于实践，并在实际应用中得到发展。现 在小波变换是突变信号和非平稳信号的分解分析的主要工具，根据小波变换的特点，小波的 应用范围至少包括以下方面：数学领域本身的许多学科如数值分析、曲面曲线的构造、 微分方程求解、控制论等，在信号分析方面的信号分解与重构、去噪声、滤波等i 图像分析 处理方面的图像压缩、去污染、c t 成像、彩色复印等：语音信号处理：奇异信号检测；地 震勘探信号处理；分形、混沌信号的分维特性和标度分析；系统辨识与谱估计；模式识别； 自适应滤波。 1 4 本文研究内容 对于工业现场重要设备而言，要做到对其实现较高程度的实时在线检测以及故障诊 断，那么对信号的处理与分析的好坏直接关系着监测系统的有效性。并且随着发备的更新 武汉科技大学 硕士学位论文第7 页 换代或改造升级，那么相应的测试系统也要随之进行改变。而虚拟仪器则可以发挥其优越 性胜任这样的要求。而小波分析作为近年内发展起来的一种在应用数学基础上的分析方 法，在许多行业都有着广泛的应用，尤其是在工业、医疗、军事等方面。因此尝试将以上 两者结合起来应用与工业实际现场有一定的现实意义。 本文在虚拟仪器及小波分析得到广泛应用的背景下，结合武钢炼钢厂结晶器液压振动 在线监测的研究课题，深入探讨远程在线监测虚拟仪器系统的结构及各部分具体功能，对 其中主要功能进行分析并提出解决方案。作者在阅读大量关于虚拟仪器、在线监测、数据 库技术等方面的文献资料的基础上，提出对结晶器远程在线监测的虚拟仪器系统做以下研 究，研究内容包括： ( 1 ) 通过分析系统所需要实现的功能，选取合适的开发平台进行设计，以便于今后的 维护与升级。从理论上确定远程在线监测系统的体系结构和各部分的组成及相互关系。 ( 2 ) 针对监测系统功能进行系统软件编制，使系统具有信号采集、调理、实时显示、 在线离线分析、数据保存、报表打印、数据库管理等主要功能。探讨研究利用d a t a s o c k e t 技术使系统实现远程监测功能，并采用a c t i v e x 技术在l a b v i e w 中实现对数据库的应用。 ( 3 ) 信号分析将决定系统监测的有效性，在此部分中综合运用时域、频域、时频域等多 种分析方法。讨论研究在l a b v i e w 平台上调用m a t l a b 完成小波分析( 时频域分析方法) 对 采集的信号进行必要的分析提取信号特征，为后期的故障诊断提供客观的理论依据。 第8 页武汉科技大学 硕士学位论文 第二章系统总体方案设计 本章简要介绍连铸结晶器振动装置在线监测系统的设计要求、总体结构与功能，它是 准备进行软、硬件编制的基础，也有利于对系统软件各种功能进行全面理解。 2 1 连铸机结晶器简介 最初在连铸机中结晶器是静止的，在拉坯过程中坯壳很容易与结晶器壁发生粘结，从 而导致拉不动或拉漏事故，影响生产。同时，为了保证出料均匀，使内壁获得良好的润滑 条件，减少拉坯摩擦力，避免钢水粘壁、漏钢，改善铸坯表面质量，提高拉坯速度，需要 一个振动系统使结晶器按照一定的规律进行振动。 结晶器的来回往复振动实质上是起到脱模的作用。由于铸坯与结晶器内的铜板之间的 粘附力因结晶器振动而减小，因而防止了在最初生成的坯壳表面产生过大的应力从而导致 产生裂纹。当结晶器向下运动时。在负滑脱的作用下，可以使坯壳表面的裂痕“愈合”，并 有利于获得较为理想的表面质量。结晶器振动分为机械振动与液压振动，但是考虑到液压 振动控制精度高、振动波形、振幅以及振动频率在生产浇注过程中可以随意调整，并且更 加适合板坯生产，因此现在被广泛应用于连铸生产中【1 0 1 【i ”。 液压振动的动力装置为液压动力站，它作为动力源向振动液压缸提供稳定的压力和流 量。液压动力站的信号由主站室内的计算机通过p l c 系统控制。为了保证振动伺服阀的正 常工作，在液压动力站内设置了吸油回路、高压回路及回油回路三级过滤，保证动力站的 油液污染颗粒大小。液压振动的核心控制装置为振动伺服阀。振动伺服阀灵敏度极高，液 压动力站提供动力如有波动，伺服阀的动作就会失真，造成振动时运动不平稳和振动波形 失真。为了使动力站的动力不波动，在动力站的高压回路中设有两个蓄能器装置，一个靠 近伺服阀，一个靠近高压泵，这样从高压泵输出的波动油液经过蓄能器稳定后，通过液控 图2 1 液压振动示意图 武汉科技大学 硕士学位论文第9 页 单向阀和过滤器进入第二个蓄能器装置稳定压力，最终向伺服阁提供稳定压力的油液，同 时在控制回路及回油回路中也设置了稳定油液压力的蓄能器。由于整个系统的压力稳定， 伺服阀的动作不失真，根据液体的不可压缩性可知，振动液压缸工作时就一定能够平稳， 振动波形也不失真。 正弦或非正弦曲线振动靠振动伺服阀控制，而振动伺服阀的控制信号来自于曲线生成 器，主控室内的计算机通过p l c 控制曲线生成器设定振动曲线( 同时也设定振幅和频率) 。 曲线生成器通过液压缸传来的压力信号和位置反馈信号来修正振幅和频率。经过修正的振 动曲线信号转换成电信号来控制伺服阀。如果想改变振动波形、频率和振幅，只要改变曲 线生成器输入信号波形、频率和振幅可在线任意设定，设定好的振动曲线信号传给伺服阀， 伺服阀即可控制振动液压缸按设定的曲线振动。这样在线任意调整振动波形、频率和振幅 是机械振动所实现不了优越性。 2 2 系统集成方法和步骤 根据连铸结晶器振动装置的特点，结合虚拟仪器系统和计算机系统集成的一般理论， 我们提出了建立整个系统的监测方法和步骤。 2 2 1 系统的目标 连铸结晶器振动装置在线监测系统的目标是，对结晶器振动装置进行准确、有效地监 测。可以在线、实时、高精度地满足结晶器振动装置基本参数的监测，从而确保现场设备 的正常工作，提高生产效益的目的。 2 2 2 系统的设计要求 结晶器振动油缸的状态实时监测，对整个连铸生产是十分重要的环节。由于结晶器设 备在空载情况下和在负载情况下，它的振动参数和工艺参数都存在很大区别；并且 由于系统设备的老化、长时间磨损，会出现实际振动情况与预先设定的振动情况不符的现 象：拉速过小，影响生产效率，拉速过大，出现拉漏事故等等这些情况，都会造成不必要的 损失和安全事故。通过实时监测，可以及时调整设备的不正常运行状态，防止设备带“病” 作业，避免造成不必要的安全事故和经济损失。在一定程度上，保证了企业的生产安全和 提高了生产效率。 针对液压式连铸结晶器振动的监测系统，考虑到液压系统比较复杂，因此我们考虑在 此系统中应用多种传感器监测设备。通过其中多个基本测点反映结晶器振动的情况。实际 的振动状态是否与设定值一致，将直接影响到实际的生产，所以这是很重要的参数，应该 需得到充分地认识。通过对振动平台的监测，可以获得实际的振动曲线情况，可以为用户 提供平台比较实际振动曲线与预先设定的振动曲线，并且获得实际的振动基本参数( 振幅、 频率等) 。在出现问题故障时，提示操作人员及时修正不正常的设备状况，达到更好完成高 速连铸生产任务。 2 2 3 系统的功能 能够在预先设定的条件和环境下，对振动平台( 10 h z 以内的振动) 进行实时监测和诊 断；将采集的多路模拟量通过多通道进行传输，对信号进行必要的调理，然后将多路信号 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 的每一路分别进行转换、信号处理；系统可对结晶器振动的基本参数不间断的进行监测， 对采集来的信号以及处理后的数据结果通过友好的人机界面以数据、曲线、状态灯等形式 进行显示；能够进行数据的查询、打印，并且具有自动系统报警等措施。 2 2 4 系统软件开发平台的选择 计算机和仪器的密切结合有两种方式：一种是将计算机装入仪器，其典型的就是智能 化的仪器，目前嵌入式系统仪器已经得到应用。另外一种方式就是将仪器装入计算机。以 通用的计算机硬件以及操作系统为依托，实现各种仪器功能。而虚拟仪器主要是后者这种 方式。 虚拟仪器开发平台是开发虚拟仪器的工具和集成开发环境。如今以计算机总线技术和 虚拟仪器编程技术为核心的应用技术被广泛应用。目前，各种虚拟仪器开发工具和平台产 品已多达几十种，但总体上说，虚拟仪器应用程序的开发环境主要有两类： 一类是基于通用编程软件进行编写的软件开发环境。常用的有属于传统文本式的开发 语言c c + + 、可视化编程工具v i s u a ls t u d i o 中的v i s u a lb a s i c 、v c + + 和v i s u a ls t u d i o n e t 及 相应的软件包、j a v a 、m a t l a b 等，以及b o r l a n d 公司的d e l p h i 、c + + b u i l d e r 、j b u i l d e r 等。 用这类平台开发虚拟仪器的也有被称为中间开发平台的。用户需要利用虚拟仪器中问开发 平台经过二次开发，将外部硬件通过驱动程序连接到计算机上，根据需要开发相应的数据 分析或仪器控制功能。由于c c + + 对开发人员的编程能力和对仪器硬件的掌握要求很高， 因此使用的人已越来越少。 另一类是基于图形化语言的软件开发环境。常用的有n i 公司的l a b v i e w 、a g i l e n t 公 司的v e e ( 原先是h p 公司产品，a g i l e n t 从h p 公司独立出来后，成为后者命名的产品) 和h p t i g 平台软件等；此外，美国t e k t r o n i s 公司的e z - - t e s t 和1 i e k t n s 软件，w a v e t e s t 公司的w a v e t e s t v i p ( 可视仪器编程器) ，以及h e m d a t a 公司的s n a p - - m a r t e r 等平台软件， 也是国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台软伊1 4 】1 2 2 1 。 综合比较以上多种开发软件的优缺点，本论文涉及的监测系统选用l a b v i e w 进行虚拟 仪器的开发设计 2 3 系统总体结构设计 针对本研究内容，并考虑到现场管理的结构特点，决定对结晶器振动油缸采用远程在 线监控。由现场服务器对伺服振动油缸的待监测信号进行必要的调理和采集保存，并对监 测的参数进行实时地分析、显示、结果保存并实现查询和打印。而由于现在工厂多采取的 是三级控制管理，为方便车间以及管理层对现场设备的运行情况有所了解，通过工业以太 网利用远程监测功能了解必要信息。并在发生故障时第一时间得知情况。 武汉科技大学 硕士学位论文第1 l 页 图2 2 系统总体硬件结构 系统结构各部分说明： 1 网络：用于实现信号、数据的传递，实现监测系统的远程化。 2 工作站：作为监测分析中心，完成结晶器振动油缸信号的采集、监测、数据分析 诊断以及网络接口功能。 3 服务器：完成网络中相对应的结晶器信息管理 4 客户端用户：通过网络远程在线察看结晶器振动运行情况。 2 4 系统的拓扑结构 连铸结晶器振动装置在线监测系统是一个集中式多通道计算机处理系统。第一级为传 感器及其调理电路，第二级为数据采集卡，第三级为现场工作站，第四级为网络远程客户 端。 连铸结晶器运行过程中需监测的参数很多，要对这些庞大的数据进行高速采样及连续 的实时数据分析，就必须对计算机工作站系统进行全面、合理的设计。在工作站系统各个 部分中应尽可能最大限度地利用c p u 的时间，使各处理单元之间的工作量基本均衡，保证 工作站系统中各处理单元的利用率最高。为了实现这一点，在数据流分布的不同区域采用 不同的划分方法，以得到最佳划分。 第一种划分是顺着数据流划分，这种划分不切断数据流，划分以后的各子任务不存在 直接因果关系，每个子任务由若个处理单元完成，实现真正的并行处理。 第二种划分是将一条数据流以分时的方式划分成若干数据流，每条数据流并不是完全 独立的，它们之| 日j 存在衔接信息上的联系。这若干个处理单元除了对自己分配到的数据流 进行加工外，还要将衔接信息进行交换处理。这一丁：作比较麻烦，只有当数掘量很大，一 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 个处理单元无法及时完成时才使用。 第三种划分是在一条数据流的不同位置上进行横切。并在每一个位置上安放一个处理 单元来加工到达这一阶段的数据流，这种加工方法的典型示例是流水线处理系统，相邻二 个子任务( 即子序) 之间有直接因果关系。 根据以上原则，制定的一个工作站的工作量如下： 1 交流( 振动量) 测量并调理。 2 刖d 转换及各通道数据采样结果的数据处理，包括各种特征值提取。 3 工作站上的实时显示。 4 报表的显示和打印。 5 实时数据、报警数据、各种参数信息的管理。 6 在线等待远程客户端的请求，随时发送数据。 根据以上划分，工作站的信号数据流如下图所示： 图2 3 信号数据流 2 5 小结 结合系统功能和技术要求，通过比较多种虚拟仪器开发软件确定开发平台，并详细阐 释系统总体结构以及功能。 武汉科技大学硕士学位论文 第1 3 页 第三章系统硬件设计 本章详细地介绍了连铸结晶器振动装置在线监测系统的硬件总体结构及其各部分的 设计。系统硬件由传感器系统、传感器信号调理电路、电源电路、数据采集卡等组成。结 晶器振动装置以低于2 0 h z 的频率振动，其振动位移信号，通过安装在振动油缸上的微脉冲 线性位移传感器测得，压力信号则通过压力计测量油缸两腔压力，而阀芯位移信号可以通 过伺服阀本身的传感器取出，并最终送入信号转换器。调理电路负责把该信号中的振动分 量和直流偏置分量取出，在进行滤波处理后，由采集卡进行a d 转换，信号进入计算机。 3 1 虚拟仪器系统的硬件构成 虚拟仪器的硬件构成有多种方案，通常采用以下几种 ( 1 ) 基于通用接口总线g p m 接口的仪器系统 g p i b ( g e r a lp u t p o i n t e 嘲c cb u s ) 仪器系统的构成是迈向虚拟仪器的第一步，即利用 g p i b 接口卡将若干g p i b 仪器连接起